济南市城市道路沥青路面典型结构的研究

王建光,任瑞波,陈 敏,朱建方

(济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司,山东济南 250101；山东建筑大学,山东济南250101)

济南市城市道路沥青路面典型结构的研究

王建光1,任瑞波2,陈 敏1,朱建方1

(济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司,山东济南 250101；山东建筑大学,山东济南250101)

我国城市道路沥青路面结构设计普遍采用基于力学的设计方法,存在“设计指标与病害、设计参数与实际”对应度不高,对城市道路的使用特点考虑不足等缺陷。研究旨在引入基于路用性能设计的AASHTO2002力学-经验法,并增加剪应力控制指标来完善设计方法；通过调查、试验来划分符合济南城市道路实际的路基强度分级、交通等级；试验确定沥青路面常用材料静态、动态设计参数；推荐济南市城市道路沥青路面典型结构。为城市道路沥青路面设计提供参考和借鉴。

城市道路；沥青路面；静态、动态设计参数；试验研究

0 引言

在全国城镇化进程高速发展的大背景下,需要进一步完善城市基础设施建设和提升城市交通的承载能力,城市道路建设量快速、稳定增长,对道路结构设计的科学性、适用性和经济性提出了更高的要求。

城市道路沥青路面结构设计普遍采用基于力学的设计方法,虽然采用设计弯沉、沥青面层底面和基层底面弯拉应力等多项指标控制设计,但对城市道路的使用特点考虑不足,存在“设计指标与病害、设计参数与实际”对应度不高等缺陷。

我国沥青路面典型结构研究起步较晚,近十几年来一些地方和高校进行了这方面的研究工作,但对城市道路沥青路面缺乏系统和整体研究；另外,沥青路面设计对于路基强度、交通荷载等级以及路面结构常用面层、基层材料参数确定,往往依据规范规定的范围来选取,不能准确把握路面结构的可靠性和经济性。

济南市开展的该项研究基于城市道路路用性能要求,采用较为科学完善的设计方法,进行了大量实际资料调查；结合工程现场和室内试验,确定了材料设计参数；依据力学响应分析,科学系统的推荐了典型结构,并对研究成果进行了广泛的推广应用。

1 研究内容和技术路线

该项目研究内容和技术路线如下：以AASHTO 2002力学-经验法为基础,开展交通量分级、路基强度等级、气候分级方法、新材料研发及建立设计参数数据库专项研究,并在AASHTO 2002力学-经验法中增加剪应力控制指标,推荐沥青路面典型结构。

图1 技术路线

2 基本设计方法

国内外沥青路面设计方法主要有四类：基于经验的设计方法,主要代表为CBR设计法；基于力学的设计方法,典型代表包括CBR设计法、AI设计法和我国现行沥青路面设计方法；基于性能的设计方法主要代表是美国的SUPER-PAVETM (Superior Performing Asphalt Pavement)—高性能沥青路面设计和分析系统；基于力学-经验的设计方法,主要代表为AASHTO2002设计方法。

AASHTO2002设计方法建立的力学-经验相结合的路面设计方法,是世界上最具影响力的设计方法之一。适用于以沥青混凝土为面层的各类路面类型。AASHTO 2002中涉及了多个路面设计模型,包括路面反应模型,路面损伤和损坏预测模型,永久变形预估模型以及路面平整度模型等。

AASHTO 2002设计方法建立了一个完整的力学-经验路面设计方法,而且考虑了SHRP中基于材料使用性能的思想,虽然该设计法还存在一些不足,但已经是目前为止最为完善的力学-经验设计法。因此,济南城市道路沥青路面典型结构研究采用了该方法为基本设计方法。

表1 国内外典型分析设计方法比较

3 气候水文条件调查

项目研究收集济南市50年来平均气温、最高气温、最低低温以及降水量等气象数据,详细地了解沥青路面的使用环境,为路面设计选择合适的沥青胶结料、合理的路面结构提供设计依据。

(1)气候条件对沥青路面的影响以热量最为显著。高温条件下,沥青混合料较多呈现为塑性状态,容易产生车辙、推移、拥包等病害,沥青胶结料也会加速发生老化；低温状态下,沥青材料变现出弹性或脆性成分,沥青面层产生收缩,而下卧层对收缩变形的限制,导致面层产生开裂。

(2)水从各种途径进入到路面结构内部,与车辆荷载共同作用产生动水压力、真空泵吸的反复循环,并与大气环境的冻融共同作用使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力,发展为沥青路面的水损坏。济南市近30年年降水量的平均值Wcp=693. 4 mm,属于湿润区。

图2 济南市30年降雨量的统计分布图

图3 济南市50年高低温统计分布

(3)通过济南市近30年来各项气候指标日值变化的调查,统计高温、低温以及降水的关键数据,得出济南市在我国规范沥青路面使用性能气候标准中属于1-3-2分区。

(4)按照SHRP中Superpave胶结料技术规范,统计济南高低气温分布范围,98%保证率下为-17.7℃～37.6℃；按照净热流和能量平衡理论,转换为路表面下20 mm处的温度为-14.4℃～58.6℃,适宜的胶结料性能等级为PG64-16。考虑常用道路沥青的PG等级,调整济南市城市道路沥青胶结料的PG分级为PG64-22。

(5)鉴于城市道路交通车速低、停滞较多等特点,遵循Superpave沥青胶结料选取的“跳级”原则,济南市城市道路沥青胶结料选择时,应调整胶结料高温等级至PG70-22或PG76-22。

4 土基强度及交通量调查

选择全市代表性路段,进行交通量调查,包括混合交通量、车型和分类等详细数据,进行标准当量轴次换算和累计分析,并进行分级；通过对市区水文地质概况的了解,收集设计资料中关于工程地质条件的状况,并结合野外承载板测试实测土基回弹模量,进行土基强度的评价和分级。

根据实际工程的现场承载板测试,掌握了土基回弹模量的强度水平,并结合路基处理的等效弯沉分析,确定济南城市道路土基回弹模量下限值定为40 MPa。以不同等级土基强度对沥青路面基层或底基层厚度产生相同效应为依据,结合我国现行沥青路面设计规范计算原则,确定了济南城市道路土基强度分级标准。

表2 土基强度分级

通过近年来济南市汽车保有量和交通量的调查,结合当量轴次换算标准及交通量分析计算,确定了济南城市道路单车道设计年限内累计标准轴次范围并进行了交通量分级。

表3 交通量等级划分

5 路面技术状况调查

结合城市分区特点,选取几十条主、次干道和常用结构组合调查了路面的技术状况,路面破损检测采用先进的智能检测车和采集收集系统,主要结论如下：结合济南城市道路沥青路面病害调查及早期损坏特征,将济南市城市道路沥青路面的破损分为裂缝、变形、表面损坏和其他损坏类四类；分析了济南市城市道路沥青路面各种类型损坏的产生原因及相应的改善措施；结合路面弯沉检测分析了沥青路面结构强度系数与道路通行年限、路面结构类型、沥青面层厚度、行车荷载等因素的关系。

6 基层材料设计参数研究

对济南市周边矿质材料分析其各项技术指标,通过击实试验、抗压回弹模量试验确定级配碎石材料的设计参数范围并施加围压的静态三轴试验确定了适用于济南地区路面结构底基层级配碎石的回弹模量范围为250～400 MPa。

分别以水泥、二灰作为无机结合料,设计了骨架密实型、悬浮密实型无机结合料稳定碎石,通过无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验、抗压回弹模量试验等研究了无机结合料稳定碎石设计参数与龄期、水泥稳定碎石设计参数与水泥剂量的关系,采用数理统计方法确定了无机结合料稳定碎石的设计参数推荐范围。

表4 基层与底基层材料设计参数推荐值

7 沥青混合料设计参数研究

7.1 沥青混合料抗压模量和劈裂强度

对济南市城市道路沥青路面常用的齐鲁70#沥青以及目前技术比较成熟的SBS改性沥青和稳定型橡胶改性沥青,分别进行针入度分级标准和Superpave沥青胶结料性能分级标准下的路用性能试验,评价上述沥青材料在济南市的适用性。结合济南城市道路沥青路面常用的混合料类型和设计级配,室内成型现场压实标准下的试件,测定抗压回弹模量、劈裂强度、抗剪强度等设计参数,利用统计分析方法确定典型结构中各类材料的静态设计参数推荐范围。

7.2 沥青混合料抗剪强度

综合对比了目前常用的沥青混合料抗剪强度的试验方法,结合工程的实际情况,选择单轴贯入法作为沥青混合料抗剪强度的测试方法。

表5 沥青混合料静态设计参数推荐值

表6 沥青混合料动态模量推荐值(20℃,10 Hz)

结合以往研究成果,以公称最大粒径16 mm为分界,细粒式沥青混合料采用小型试件(Φ100 mm× h100 mm),中粒式(含16 mm)、粗粒式沥青混合料采用大型试件(Φ150 mm×h100 mm)进行无侧限抗压强度和单轴贯入强度试验,测定沥青混合料的抗剪强度。

研究表明使用具有良好高温性能的改性沥青胶结料能明显提高沥青混合料的粘聚力,矿料嵌挤程度越大其摩擦角也越大。因此在路面材料设计中,使用高温性能好的沥青胶结料以及采用棱角性好、骨架嵌挤的结构状态能显著提高抗剪强度水平。

根据抗剪强度试验结果,统计分析推荐了60℃条件下不同沥青和级配类型的沥青混合料抗剪强度的参考范围。

8 路面结构力学响应分析

对济南城市道路的实际应用情况,选择半刚性基层、柔性基层和复合式基层沥青路面三种代表性的结构类型,以我国道路设计的层状弹性体系理论进行力学计算与分析。主要分析包括：路表弯沉、弯拉应力、弯拉应变、剪应力、竖向应变等力学响应分析；路面结构面层厚度和参数、基层厚度和参数、路基强度等敏感性分析；沥青混合料抗剪强度分析。主要结论：

表7 不同沥青混合料抗剪强度

(1)不同的沥青路面结构形式下,结构内部的弯拉应力及弯拉应变的最不利位置出现在单圆荷载中心；剪应力最不利位置为单圆荷载边缘,且内外边缘方向相反,峰值大小相近。

(2)复合式基层沥青路面受力状态介于半刚性基层和柔性基层路面之间,在力学性质上兼顾以上两类的优点,在沥青路面结构中应优先采用。

(3)增加沥青面层厚度能够减小基层材料的层底拉应力,且对基层及以下结构层的拉应变控制有很好的作用。增大沥青面层模量可减小沥青层内部拉应变的幅度；面层模量的变化对基层和底基层弯拉应变无明显影响。

(4)增加基层厚度未明显改变剪应力的分布状态,但对减小沥青层层底弯拉应变和基层层底拉应力均有改善作用；增加基层模量对减小沥青层层底弯拉应变和弯拉应力均有较好作用,但当基层模量增大至一定界值后,继续增大时改善作用有限。

(5)土基强度的增加能够减小结构层层底弯拉应力和弯拉应变,加强土基强度可以增加结构的承载力或减小结构层厚度。

(6)考虑车辆荷载的水平力系数时,路面结构的剪应力分布与竖向均布荷载作用下有很大差异,表现为剪应力峰值向路表面移动；剪应力峰值随着水平力系数的增大而增大。城市道路沥青路面设计时有必要对沥青混合料的抗剪强度指标加以考虑。

9 推荐典型结构

典型结构的推荐结合城市道路现有的结构组合方式,包括三种结构方式：半刚性基层沥青路面、复合式基层沥青路面和柔性基层沥青路面

按照AASHTO 2002力学-经验设计法的要求,提出了济南城市道路沥青路面的各种相关参数,城市交通量将按照混合交通量中各种车型所占的比例对轴载谱的组成进行修正,使之符合济南城市交通的实际情况。路面结构计算时土基强度取分级标准的下限值。

结合以往路面结构设计经验,针对不同土基强度、不同交通量水平,拟定结构组合方案,应用AASHTO 2002力学-经验法对路面各项使用技术指标进行计算和寿命预估。

路用性能预估主要包括以下几个方面：路面使用末期的平整度水平；沥青面层自上而下的纵向裂缝发展水平；沥青面层自下而上开裂水平；沥青路面温度开裂发展水平；沥青层永久变形；路面结构总体永久性变形。

初步拟定的结构方案,将根据各项技术指标计算结果进行调整,主要包括以下几项措施：

改善土基强度水平；使用改性沥青胶结料；调整面层或沥青稳定层材料和厚度；调整基层材料和厚度。成果示例：

10 结语

济南市城市道路沥青路面典型结构的研究,依据基于路用性能设计的AASHTO2002力学-经验法,并增加剪应力控制指标来完善设计,针对当地气候、路基以及交通等调查,提供环境参数,结合国内和济南市常用路面材料类型,试验测定并推荐合理设计参数,优化沥青胶结料的选取,同时引入动态模量,经过大量的力学响应分析,推荐了典型结构,该研究成果在济南市和山东省内推广应用并持续跟踪,取得了良好的社会和经济效益。项目研究对城市沥青路面系统设计提供了有益的借鉴。

U416.217

B

1009-7716(2015)09-0189-05

2015-04-09

王建光(1971-),男,山东青州人,工程技术应用研究员,从事道路桥梁设计管理工作。

表8 城市次干道-T2交通量半刚性基层沥青路面典型结构